Pomiary przepływu nośników energii

                            Franciszek Strzelczyk              Andrzej Wawszczak

                            Instytut Techniki Cieplnej w Łodzi              Instytut Elektroenergetyki
                            Politechnika Łódzka

W referacie przedstawiono sposoby pomiarów przepływu nośników energii, takich jak: para wodna, woda, gaz oraz ropa i płynne produkty naftowe. Podano zasady pracy nowoczesnych układów pomiarowych z zastosowaniem różnych rodzajów przetworników przepływu. Porównano charakterystyczne właściwości wybranych przepływomierzy.

1.              Wstęp

Energia niezależnie od jej postaci i jej nośników – woda, para, gaz, olej itp. jest towa­rem i ma swoją cenę, którą producentowi i dostawcy powinien zapłacić nabywca. Prawidłowy obrót energią wymaga odpowiedniej infrastruktury technicznej, najczęściej w postaci sieci przesyłowych. Mogą to być sieci lokalne w ramach jednego przedsiębiorstwa lub obejmujące swoim zasięgiem cały kraj czy też połączenia międzynarodowe. Istotnym elementem systemów przetwarzania i dystrybucji energii, są układy pomiarowe, które potrafią określić w zależności o potrzeb ilość przetworzonej energii. Układy takie muszą spełniać szereg wymagań wynikających z rodzaju nośnika energii jak też z faktu, że na podstawie ich wska­zań dokonywane są transakcje kupna i sprzedaży. Uwarunkowania te powodują, że układy pomiarowe przepływu nośników energii podlegają specjalnym przepisom i szczególnie wysokim kryteriom jakości.

Takie nośniki energii, jak: ropa i płynne produkty naftowe, gaz ziemny oraz woda i para wodna mają wspólną cechę - wszystkie one są płynami (cieczami lub gazami). Istnieje duża różnorodność metod, a więc również i przyrządów do pomiaru strumieni objętości i strumieni masy płynów. W tablicy 1 podano główne rodzaje przyrządów pomiarowych oraz ich zastosowanie do pomiaru przepływu różnych rodzajów płynnych nośników energii.

Układ pomiarowy służący do rozliczeń między dostawcą a odbiorcą energii powinien być układem niezależnym i pomagać w nadzorowaniu zarówno interesów dostawcy jak i odbiorcy [3, 4]. Układ taki powinien:

-          zapewniać łatwość obsługi i dużą niezawodność pracy oraz dokładność pomiaru,

-          zapewnić ciągłą kontrolę warunków dostawy i odbioru energii przez sprawdzanie jej jakości, rejestracje dopuszczalnych przekroczeń, uniemożliwienie niekontrolowanego jej poboru,

-          umożliwić współpracę z innymi urządzeniami informatycznymi, np. z centralnym komputerem,

-          dać się stosunkowo łatwo dostosować do indywidualnych warunków pracy.

Zadania metrologiczne są więc tylko częścią zadań takiego układu pomiarowo-kontrolnego.

Tablica 1.    Zastosowanie przepływomierzy do pomiaru przepływu nośników energii

Przy wyborze właściwego układu pomiarowego należy wziąć pod uwagę wiele czynników, wśród nich najważniejsze to:

-       wymagana dokładność pomiaru,

-       wymagany zakres zmian wielkości mierzonych,

-       koszty zakupu i zainstalowania,

-       koszty eksploatacji (energii zasilania, dodatkowe koszty energii pompowania i sprężania mierzonego płynu ze względu na stratę ciśnienia w miejscu zabudowania czujnika przepływomierza w rurociągu,

-       koszty konserwacji, napraw i niezawodności pracy.

Szczególnie przepływomierze zwężkowe powodują duży wzrost zapotrzebowania energii do napędu pomp lub wentylatorów. Zastosowanie przepływomierza zwężkowego do pomiaru przepływu wody w rurociągach o średnicy DN=1200 mm i przepływie q=12000 m3/h powoduje roczny wzrost energii pompowania o 230 MWh.

2.              cechy METROLOGICZNE PRZEPŁYWOMIERZY

W pomiarach przepływu nośników energii przyjmuje się, że błąd graniczny pomiaru jest to połowa przedziału, w którym prawdopodobieństwo znalezienia się błędu pomiaru jest nie mniejsze niż 0.95 [1].

W zależności od rodzaju przepływomierza (metody pomiaru) określany jest względny błąd graniczny pomiaru wyrażony w procentach aktualnie mierzonej wartości przepływu q lub jako bezwzględny błąd graniczny wyrażony w procentach zakresu pomiarowego qn. W pewnym uproszczeniu można stwierdzić, że w zależności od rodzaju przepływomierza, w określonym zakresie zmian przepływu, pomiar jest obarczony stałym względnym błędem granicznym, lub stałym bezwzględnym błędem granicznym.

Z reguły przy pomiarze przepływu nośników energii odpowiednie normy lub zarządzenia ustalają wartość dopuszczalną względnego błędu granicznego. Pływomierz charakteryzowany jest następującymi wartościami przepływu: przepływem nominalnym qn (dla danej nominalnej średnicy wewnętrznej czujnika przepływomierza DN), przepływem maksymalnym qmax i przepływem minimalnym qmin (rys. 1).

Rys. 1. Poglądowe charakterystyki błędów granicznych oraz zakresy pomiarowe dla trzech rodzajów przepływomierzy: A ­ zwężkowego, B ­ ultradźwiękowego, C ­ elektromagnetycznego;
q ­ strumień płynu, dq ­ błąd graniczny, dqdop ­ dopuszczalny błąd graniczny.

Dolna granica zakresu pomiarowego qmin (rys. 1) jest najmniejszą wartością przepły­wu, dla której błędy pomiaru nie przekraczają wartości dopuszczalnej dqdop. Iloraz qmax : qmin jest określany jako zakresowość i oznacza się go w postaci zredukowanej bezwymiarowej, np. jako 50:1. Na rysunku 1 największą zakresowość ma przepływomierz o charakterystyce C. Powiększenie dopuszczalnych wartości błędów granicznych dla mniejszych przepływów wyraźnie zwiększa zakresowość przepływomierza (rys.2). Wartość przepływu qt, przy której następuje zmiana granicy dopuszczalnych błędów granicznych nazywana jest strumieniem pośrednim lub przejścia.

Rys. 2. Błąd graniczny oraz zakres pomiarowy przepływomierza o zmiennym dopuszczalnym błędzie granicznym; q ­ strumień płynu, dq ­ błąd graniczny, dqdop ­ dopuszczalny błąd graniczny.

Bardzo istotnym parametrem przepływomierza są wymagane prostoliniowe odcinki pomiarowe przed i za czujnikiem przepływomierza, które są wyrażane wielokrotnością n nominalnej średnicy przepływomierza DN; jako n1∙DN przed i n2∙DN za czujnikiem przepły­womierza. Niektóre przepływomierze są szczególnie wrażliwe na nierównomierności rozkładu prędkości płynu w przekroju poprzecznym rurociągu i wymagają długich odcinków pomiarowych (tablica 2) lub stosowania tzw. prostownic strumienia.

Pomiar przepływu nośników energii jest pomiarem ciągłym, podlegającym jedynie okresowej kontroli. Wpływa to w istotny sposób na rachunek błędów, ponieważ przy określaniu dokładności pomiaru oprócz błędu podstawowego (zwykle zawiera błędy: liniowości, histerezy i powtarzalności) należy uwzględnić wpływ dodatkowych czynników, takich jak: zmiany temperatury otoczenia, chwilowe przekroczenia (przeciążenia) wielkości mierzonych, stabilność sygnału wyjściowego w określonym przedziale czasowym, zużycie (starzenie się) pewnych elementów układu pomiarowego, zewnętrzne pola magnetyczne, itp. Producenci aparatury pomiarowej w dokumentacjach techniczno-ruchowych podają wartości składowe poszczególnych błędów spowodowanych dodatkowymi czynnikami, zwykle ich suma prze...